半導(dǎo)體行業(yè)充滿知名的定律。其中最著名的是英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾 （Gordon Moore） 指出，IC 上的組件數(shù)量每年翻一番。許多人還知道羅伯特·德納德 （Robert Denard） 制定的定律：隨著晶體管尺寸的減小，功率密度沒(méi)有變化，因?yàn)殡妷汉碗娏鲿?huì)隨著通道的長(zhǎng)度而變化。但請(qǐng)注意，自上世紀(jì)九十年代中期以來(lái)，丹納德縮放似乎已經(jīng)崩潰。

化合物半導(dǎo)體行業(yè)也有法律。也許您聽說(shuō)過(guò)海茨定律，該定律指出，LED 的每流明成本每十年下降十倍，并且對(duì)于給定的波長(zhǎng)，封裝設(shè)備產(chǎn)生的光會(huì)增加 20 倍。最近，由于我參與的中國(guó)合作的努力，出現(xiàn)了“荔枝定律”，描述了與氮化鎵充電相關(guān)的性能變化，以我在深圳大學(xué)實(shí)驗(yàn)室附近的荔枝樹命名。

圖 1.（a）氮化鎵快充輸出功率-產(chǎn)品體積圖。（b）氮化鎵快充輸出功率-產(chǎn)品質(zhì)量圖。
在過(guò)去幾年中，氮化鎵功率器件在消費(fèi)類快速充電產(chǎn)品中得到采用后，銷量猛增。我們的合作一直在深入研究與性能相關(guān)的方面，通過(guò)進(jìn)行深入的市場(chǎng)研究，早在 2023 年，我們就確定了當(dāng)時(shí)的發(fā)展規(guī)律，從而提出了力馳定律——它指出，平均每間隔 12 個(gè)月，商用氮化鎵快速充電器的輸出功率就會(huì)增加約 50%。兩年過(guò)去了，我們發(fā)現(xiàn)消費(fèi)類氮化鎵快充仍在遵循立馳定律，工業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)在也享受著類似的動(dòng)態(tài)。

為了說(shuō)明輸出功率的快速增長(zhǎng)，請(qǐng)考慮早在 2018 年投放市場(chǎng)的 Anker GaN 快速充電器，其功率僅為 30 W。雖然當(dāng)時(shí)令人印象深刻，但現(xiàn)在許多品牌正在推出輸出功率超過(guò) 300 W、功率密度超過(guò) 3.3 W cm 的產(chǎn)品^-3.

我們的工作包括對(duì)氮化鎵快充產(chǎn)品的3C認(rèn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查，這使我們能夠?qū)Σ煌攴萘谐龅漠a(chǎn)品的功率參數(shù)分布進(jìn)行可視化比較（見(jiàn)圖1）。

圖 2.近年來(lái)消費(fèi)類氮化鎵快充，從（a）功率密度和（b）功率方面進(jìn)行評(píng)估。

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以看出，2021年之前的快充產(chǎn)品主要集中在1Wcm以下^-3，功率密度一般在0.7-0.9 W cm范圍內(nèi)^-3，反映了早期氮化鎵技術(shù)的成熟狀態(tài)。到 2023 年，大多數(shù)快充產(chǎn)品超過(guò) 1 W cm^-3，有些甚至超過(guò) 2 W cm^-3，這可能是業(yè)界首款實(shí)驗(yàn)性高密度產(chǎn)品。快充產(chǎn)品聚集在1-3W厘米^-32024 年至 2025 年的頻段。到目前為止，最大功率密度為 3.3 W cm^-3，但少數(shù)產(chǎn)品出現(xiàn)時(shí)的尺寸僅為 1.8 W cm 左右^-3，反映了市場(chǎng)的技術(shù)分層——一些供應(yīng)商追求極致密度，而另一些供應(yīng)商則注重成本和穩(wěn)定性。

從這些充電器的質(zhì)量分布來(lái)看（見(jiàn)圖1（b）），顯然已經(jīng)取得了進(jìn)展。2018年，Anker推出首款30W GaN快速充電器時(shí)，其質(zhì)量為54 g，功率密度僅為0.53 W g^-1. 2022 年，OPPO 開辟了新天地，推出了 200 W GaN 快速充電器，質(zhì)量為 147 g，功率密度為 1.36 W g^-1– 這是第一款突破 200 W 且功率密度超過(guò) 1 W g 的快速充電器^-1. 此后，Realme和太高提高了標(biāo)準(zhǔn)，推出了功率密度為1.44W g的240W GaN快速充電器^-1和 1.37 W g^-1分別在 2024 年和 2025 年。

我們還收集了GaN快充產(chǎn)品隨時(shí)間變化的最大功率和功率密度的數(shù)據(jù)，并繪制了功率密度增長(zhǎng)（見(jiàn)圖2（a））和功率增長(zhǎng)（見(jiàn)圖2（b））。這些圖表顯示，功率和功率密度隨著時(shí)間的推移而上升，其增長(zhǎng)率與之前提出的“荔枝定律”高度一致——即每12個(gè)月，商用氮化鎵快速充電電源單元的輸出功率就會(huì)增加約50%。

另一個(gè)觀察是，氮化鎵技術(shù)正在加速?gòu)南M(fèi)級(jí)快充向工業(yè)級(jí)電源的滲透，這一趨勢(shì)始于 2020 年。這一發(fā)現(xiàn)得出了對(duì) 2018 年至 2025 年對(duì)消費(fèi)級(jí)快速充電和工業(yè)級(jí) GaN 功率產(chǎn)品進(jìn)行的全面研究的結(jié)果（見(jiàn)圖 3）。

圖 3.（a） 工業(yè)和消費(fèi)類氮化鎵的效率-功率圖 電源。（b） 工業(yè)氮化鎵功率的功率-體積圖 用品。

與消費(fèi)級(jí)氮化鎵快速充電產(chǎn)品相比，工業(yè)級(jí)氮化鎵電源在效率方面平均高出 4%，在功率輸出方面平均高出三倍多。

我們也確定，氮化鎵在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)更加廣泛和深入，其大功率、高效率的特性可以在工業(yè)場(chǎng)景中得到充分發(fā)揮，可以滿足工業(yè)設(shè)備對(duì)高性能電源的需求。

我們對(duì)市場(chǎng)動(dòng)態(tài)的廣泛調(diào)查也發(fā)現(xiàn)了輸出功率增加的明顯趨勢(shì)。2020—2021年間，我們發(fā)現(xiàn)GaN技術(shù)主要在中低功率場(chǎng)景的初期得到驗(yàn)證。這方面的一個(gè)例子是華為推出具有功率密度提升潛力的 3000 W 產(chǎn)品。到 2022 年，GaNEXT 推出了 3600 W GaN 服務(wù)器電源，其功率比前代產(chǎn)品增加了 20%，但由于封裝技術(shù)的原因，體積和效率仍然較低。當(dāng)時(shí)，這些工業(yè)電源的平均功率密度不超過(guò)5 W cm^-3，銷售主要面向輕量級(jí)場(chǎng)景，例如邊緣計(jì)算。

過(guò)去幾年取得了重大進(jìn)展。自2023年以來(lái)，納微在氮化鎵服務(wù)器電源方面取得突破，功率密度從5.88 W cm不等^-3適用于 2023 年 3200 W 至 13.79 W cm^-32024 年，4500 W 組件的容量效率在兩年內(nèi)提高了 134%。此時(shí)，氮化鎵技術(shù)開始針對(duì)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展，8500 W 原型機(jī)將于 2024 年亮相，功率比 2022 年增加了 136%，標(biāo)志著氮化鎵在中高功率邊界的突破。

當(dāng)部署在工業(yè)氮化鎵電源中時(shí)，氮化鎵的功率輸出密度一般在3-6 W cm范圍內(nèi)^-3.GaN 在工業(yè)應(yīng)用中的突出優(yōu)勢(shì)是功率輸出密度比消費(fèi)類 GaN 快速充電高出 2 到 3 倍。

圖 4.氮化鎵消費(fèi)級(jí)快充和工業(yè)級(jí)電源開發(fā)。

我們對(duì)氮化鎵在電源充電中的演變進(jìn)行了全面研究，包括對(duì)工業(yè)氮化鎵服務(wù)器電源的峰值功率數(shù)據(jù)和消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的參數(shù)的回顧。這使電力年坐標(biāo)系的構(gòu)建成為可能，以及工業(yè)領(lǐng)域和消費(fèi)領(lǐng)域之間功率演進(jìn)技術(shù)發(fā)展的比較圖（見(jiàn)圖4）。

通過(guò)對(duì)這張圖表進(jìn)行徹底的分析，我們觀察了氮化鎵技術(shù)的發(fā)展軌跡。我們的數(shù)據(jù)表明，氮化鎵功率器件的性能提升與“荔枝定律”高度一致。具體來(lái)說(shuō)，工業(yè)級(jí)氮化鎵電源的輸出功率每 12 個(gè)月增加約 50%。

我們可以得出結(jié)論，通過(guò)對(duì)消費(fèi)級(jí)氮化鎵快充和工業(yè)級(jí)氮化鎵服務(wù)器電源的研究，氮化鎵快充的輸出功率往往每12個(gè)月增加50%左右。

《荔枝定律》的貢獻(xiàn)者包括：深圳大學(xué)的鐘志祥、吳宇彤、江炳和劉鶴洲;浙江大學(xué)李靜波;江南大學(xué)敖金平;來(lái)自洲明集團(tuán)有限公司的陳立璇;來(lái)自深圳平湖實(shí)驗(yàn)室的 Yuxi Wan 和 Daohua Zhang;來(lái)自紅藍(lán)微電子（上海）有限公司的楊占武;以及來(lái)自科特爾智能科技（深圳）有限公司的陳勝森。